Weiterentwicklungen im Bereich Robotik und Bilddatenanalyse tragen dazu bei, dass sich das Anwendungsspektrum von kollaborativer Montage kontinuierlich ausweitet. Dies bietet Raum für die Entwicklung neuer Konzepte, um die Intuitivität und Sicherheit von Montageoperationen in der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) weiter zu erhöhen. Eine vielversprechende Herangehensweise hierbei ist das Tracking der Positionen von Mensch und Roboter, um potenzielle Kollisionen frühzeitig zu erkennen.

Indem der Roboter auf die Präsenz und Bewegungen der Hände des Menschen reagiert, wird die Sicherheit im Arbeitsumfeld verbessert und gleichzeitig die Effizienz gesteigert. Die Entwicklung solcher Konzepte markiert einen weiteren Schritt hin zu einer nahtlosen und sicheren Koexistenz von Mensch und Roboter in der Industrie. Obwohl solche Kollisionen in der MRK durch Kraft- und Leistungsbegrenzungen abgedeckt sind, könnte eine proaktive Reaktion des Roboters auf die Anwesenheit des Menschen diese Kollisionen verhindern oder zumindest mildern.

Im Rahmen der Forschung des Bremer Instituts für Strukturmechanik und Produktionsanlagen wird ein Konzept entwickelt, das die Mensch-Maschine-Interaktion innerhalb kollaborativer Montageszenarien mithilfe einer bildbasierten Handerkennung erhöhen soll. Ziel ist eine angepasste Reaktion des eingesetzten Roboters in Abhängigkeit von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Hand. Dabei werden neben aktueller Bilddaten auch vergangene Informationen und Zustände berücksichtigt, um zum Beispiel bei einer Abschattung der Hand gegenüber der Kamera situationsgerecht reagieren zu können. Diese Herangehensweise erweitert die Interaktionsmöglichkeiten in der MRK und verstärkt die bereits vorhandene Sicherheitstechnik.

Zur Implementierung wurden unterschiedliche Handerkennungsalgorithmen verglichen, wobei der Single Shot Detector als effizienteste Wahl identifiziert wurde. Das Konzept zur Geschwindigkeitsregelung orientiert sich an der Norm EN ISO 13855, um eine Sicherheitszone um den TCP des Roboters zu definieren und Abstandsregelungen zu entwickeln. Latenzzeit und Ungenauigkeiten von Roboter und Kamera werden dabei berücksichtigt. Basierend auf einer Koordinatentransformation werden die erkannten Handpositionen in das Koordinatensystem des Roboters übersetzt.

Ein zentrales Problem des gewählten Ansatzes einer Beobachtung des Arbeitsraumes von oben ist das potenzielle Verdecken der Hände durch den Roboter. Daher wurde ein Algorithmus entwickelt, der die Anzahl der Hände in der Arbeitszone erkennt, deren Position speichert und basierend auf einer Fallunterscheidung gegebenenfalls den Roboter stoppt. Befindet sich zum Beispiel eine Hand oder mehrere Hände in der Arbeitszone des Roboters, nimmt der Roboter erst wieder seine volle Geschwindigkeit auf, wenn die Hände außerhalb des Arbeitsraumes erkannt werden. Durch diese Entkopplung von Handerkennung in Echtzeit und zuletzt erkannter Position innerhalb des Arbeitsbereiches kann eine ungewollte Reaktion bei nicht Erkennung einer Hand ausgeschlossen werden.

Zukünftige Arbeiten können die erweiterten Interaktionsmöglichkeiten in der MRK weiter ausbauen. Eine mögliche Optimierung wäre die Implementierung eines Ansatzes, bei dem der Roboter den Händen aktiv ausweicht, um potenzielle Kollisionen komplett zu vermeiden. Des Weiteren könnte ein Roboter mithilfe dieses Ansatzes auch dazu trainiert werden, einem vordefinierten Bewegungspfad mit Wegpunkten den Handbewegungen eines Menschen zu folgen. Die Integration von Gestensteuerung könnte die Interaktion zwischen Mensch und Roboter in der MRK zusätzlich intensivieren.

Kurz erklärt: das bime

Das Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (bime) ist ein Institut der Universität Bremen im Fachbereich Produktionstechnik – Maschinenbau & Verfahrenstechnik. Am bime arbeiten derzeit ca. 70 Mitarbeitende. Die von Prof. Dr.-Ing. Kirsten Tracht geleiteten Arbeitsgebiete Montagesysteme und Produktionsgestaltung entwickeln Lösungskonzepte für die Produktion komplexer Produkte in zunehmend vernetzten und agilen Umfeldern. Neben der Entwicklung und dem Betrieb von Produktionsanlagen ist die Gestaltung von Montageprozessen, die Auslegung von Handhabungsgeräten und die Modularisierung von Produktionssystemen sowie Betriebsmitteln Gegenstand der Forschungsarbeiten. Planungshilfsmittel für effiziente Planungsprozesse und frühzeitig erreichbare, qualitativ hochwertige Planungsergebnisse stehen ebenso im Fokus der Arbeitsgruppe. Das bime, vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Kirsten Tracht, ist Mitglied im MHI e.V. (http://www.bime.de)

Kurz erklärt: die MHI e.V.

Die Wissenschaftliche Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik e.V. (MHI e.V.) ist ein Netzwerk renommierter Universitätsprofessoren – Institutsleiter und Lehrstuhlinhaber – aus dem deutschsprachigen Raum. Die Mitglieder forschen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsnah in einem breiten Spektrum aktueller Themen aus dem Montage-, Handhabungs- und Industrierobotikbereich. Weitere Infos zur Gesellschaft, deren Mitgliedern und Aktivitäten: http://www.wgmhi.de